曾强, 张雪莹, 梁永全

(1. 广东电网有限责任公司,广东 广州 510000;2. 广东顺德电力设计院有限公司,广东 佛山 528300)

0 引 言

随着“碳达峰-碳中和”目标的提出,海上风电具有资源丰富稳定、发电利用小时数高、不占用土地并适宜大规模开发以及对环境影响小等特点,成为今后电力行业实现双碳目标的主要发展方向[1-2］。但其投资规模大、涉及资金高以及技术要求难度大,加之复杂的海洋环境,使得海上风电项目较陆上风电项目更复杂,全寿命周期(life cycle cost, LCC)中的不确定性也愈加显现[3］。为更准确地评估海上风电在双碳背景下发挥的作用,以及海上风电项目显性与隐性的经济效益,现阶段迫切需要一种合适的模型针对系统的低碳效益与经济效益进行分析。

目前,国内外学者们关于风电特别是海上风电的研究重点多在风电并网的工程技术与综合管理、环境影响等方面[4-6］,对海上风电项目投资的综合效益评价研究较少,且多以海上风电集电系统可靠性与经济性评估为主[7-9］。文献[10]从局部均衡福利分析角度建立了风电社会效益的概率型的数学模型。文献[11]针对风电的环境效益和经济效益进行计算评估,定量分析效益成果。文献[12]针对海上风电柔性直流送出与低频交流送出两种方案,从工程投资与运维费用两个角度进行探究,论证了中远海场景下低频交流送出的优越性。实际上,海上风电的低碳效益是一个需要综合考量的指标,既有因海上风力发电有效接纳带来的碳减排方面,也有因其所接入的配电系统的控排降耗效益所带来的低碳方面,同时也有电网侧为平抑海上风电的随机性需要增加投资所带来的非低碳因素,需要对其进行低碳综合效益分析和评价。注意到在对海上风电进行经济性、稳定性或低碳层面进行评估时,极少提到无功补偿这一关键要素。事实上,海上风电送出的无功补偿能够有效保证送出风电的质量[13］,并且保证早并网时能够有效避免网损过大与电压波动[14］,因此须将无功补偿对并网型海上风电的影响纳入考量范围。

1 海上风电低碳综合效益评估分析

本文以当前国内主流的高压交流(high voltage alternating current, HVAC)为例,对其LCC的经济效益与低碳效益进行精细化建模分析。HVAC型海上风电送出方式,结构示意图如图1所示。

图1 HVAC型海上风电送出方式结构示意图

并网型海上风电需通过海底线缆或架空线路方式将电能传送至陆地大电网实现并网,因此,网损对海上风电的低碳综合效益产生影响。海上风电并网后系统自动提升为多电源结构,系统潮流的流向与大小将发生变化,其影响可通过建立简单的潮流模型[15］加以分析。海上风电并网潮流分析模型示意图如图2所示。

图2 海上风电并网潮流分析模型示意图

图2中:Rij、Xij为节点ij之间电阻及电抗;Pj、Qj为节点j的有功功率及无功功率。单条线路ij上的有功损耗ΔPij为:

(1)

式中:Pij、Qij为支路ij上的有功及无功功率;Uj为j点的节点电压。在风电未接入场景下的系统总网损:

(2)

式中:Pk,k+1、Qk,k+1、Rk,k+1分别为节点k与紧邻节点k+1之间的线路有功功率、无功功率及线路等值电阻。海上风电接入后,接入点j上游的线路网损ΔP′可表示为:

(3)

其中

(4)

(5)

若海上风电并入后系统网损满足:

ΔP′+ΔP″<ΔP

(6)

则海上风电接入后系统网损小于未并入电网的网损。

由于系统满足节点电压近似相同,电压波动可忽略等条件,式(6)可等效转化为:

(7)

(8)

在无功补偿容量计算前,首先明确任何并网系统遵循的基本原则为潮流平衡原则,如式(9)所示。

(9)

式中:Gij、Bij分别为支路ij之间的电导与电纳;θij为节点ij的相角差。除潮流平衡外,系统还需满足的约束条件如式(10)所示。

(10)

式中:Pimax、Pimin为风电机组出力功率的上下限;Qcimax、Qcimin为风电机组最大容量与最小支撑容量;Uimax、Uimin为系统各节点电压的上下限;Timax、Timin为变压器分接头变比上下限。

2 海上风电低碳综合效益计算模型

2.1 海上风电低碳效益求解模型

设海上风电机组设备在生产制造过程消耗的电能与单个风电机组功率呈现一次线性关系,在该场景下,设生产单位功率机组所需要的电能为E,NWT为风电机组的装机数量,海上风电场的单机功率为P0;另外,消耗的电能可通过集中发电侧度电CO2排放量kCO2折算为碳排放指标,因此低碳效益指标C0-1可表示为:

C0-1=kCO2ENWTP0

(11)

在运输过程中,产生的碳排量与运输距离L,单次货运运输质量m,运输次数n,以及运输过程中产生的碳排放强度k相关,因此碳排放强度可分为kon与koff,分别表示陆上运输与海上运输单位里程碳排放强度,并匹配陆上距离Lon与海上运输距离Loff,其低碳效益指标C0-2如式(12)所示。

C0-2=nm(konLon+koffLoff)

(12)

以起重设备为主,安装过程中的低碳效益C0-3计算与海上风电机组质量nm,海上风电机组高度h及单位起重高度的碳排放强度khigh相关,如式(13)所示。

C0-3=khighnmh

(13)

因此,海上风电场建设过程中产生的低碳效益/成本计为C0=C0-1+C0-2+C0-3。

从收益角度分析海上风电低碳效益,首先需建立海上风电年总发电量模型;在并网的基础上,由于替代了传统化石能源,故将发电量转化为集中发电侧CO2排放量,作为低碳效益指标C1。

(14)

(15)

(16)

式中:PW(t)为风电机组的输出功率;V(t)为某一时刻的风速大小;Vci、Vco分别为切入/切出风速;Vn为额定风速;Pn为风机的额定功率;QW为海上风电场的年度总发电量;i为第i台海上风电机组;tstop为海上风电机组由于故障、天气与定期维护等原因造成的停机时间。

系统网损低碳效益指标C2的计算如式(17)所示。

(17)

在假设海上风电的备用容量系数为α,即每1 kW的实际海上风电输出功率需要配置αkW的备用容量,计及备用容量的低碳效益指标C3如式(18)所示。

(18)

无功补偿容量需根据系统最大无功补偿方案确定,假设海上风电系统最大无功补偿需求为Qmax,建设单位无功补偿装置所需的碳排放成本为kvar,则得到无功补偿装置的低碳效益为-Qmaxkvar,式(17)改写为:

(19)

式中:ΔP‴(t)为计及无功补偿器效果后海上风电并网网损变化产生的低碳效益。

2.2 经济效益求解模型

由成本估算的经济效益指标e0需包含建设成本、运维成本与报废成本,如式(20)所示。

(20)

式中:EC为海上风电场投资、安装与建设过程中产生的成本系数;EO&M为海上风电场的运维成本系数;x为海上风电建成后的第x年;r为折现率;ES为海上风电场报废成本系数。

海上风电收益主要来自于并网售电产生的利润及来自各省级区域为主的海上风电系列补贴,因此结合式(16)得到海上风电场收益侧的年度经济效益指标e1。

(21)

在间接经济效益指标中,系统网损、备用容量与无功补偿等角度的经济效益指标分别计为e2、e3及e4,其计算分别如式(22)～式(24)所示。

(22)

(23)

(24)

式中:Evar为单位无功补偿装置容量所需要的建设成本;t为时间跨度为年的小时级时间变量。

2.3 低碳综合效益折算

以年作为时间跨度的效益计算方式更为合适。对上述低碳效益与经济效益进行整合,如式(25)～式(28)所示。

(25)

(26)

(27)

(28)

引入碳交易价格进行低碳效益与经济效益之间的转化,得到式(29)所示折算公式。

Cc-e=Ecarbonctotal+etotal

(29)

式中:Cc-e为海上风电系统综合低碳效益指标;Ecarbon为单位碳排放强度价格,即碳交易价格。

3 算例分析

3.1 参数设定与场景假设

以IEEE 33节点系统为例阐述海上风电低碳综合效益的分析过程,并结合广东汕尾甲子海上风电项目(后简称“甲子项目”)进行实例分析。甲子项目共有140台6.45 MW风电机组,两期工程总装机容量NWTP0达到900 MW;海上风电从节点17接入,无功补偿器覆盖线路的三个分支路,分别从21节点、24节点与32节点接入,节点1为平衡节点,如图3所示。

图3 并网型海上风电仿真分析IEEE 33节点模型

假设单位成本海上风电机组的生产能耗为3 000 kW·h,集中发电侧度电CO2排放量kCO2根据国家最新文件显示为0.583 9 kg/(kW·h);甲子项目中海上风电场距离海岸最近距离为25 km,因此假设海缆长度及海上运输距离为25 km,同时为简便计算,设海上风电上岸点距离相关设备生产商为400 km;单台海上风电机组质量约为400～500 t,本文取450 t,柴油车货运为主的陆地方式碳排放因子为0.078 kg/(t·km),海上集装箱的运输过程中碳排放因子则为0.012 kg/(t·km);海上风电机组高度设为180 m,安装抬升或拆卸过程中的碳排放因子khigh假设为15 kg/(t·km)。从经济侧而言,海上风电投资、建设与安装成本系数EC约为16 000 元/kW,运维成本系数EO&M定为400 元/(kW·年),ES=600 元/kW,折现率定为2%。海上风电机组VCi与VCo分别设定为3 m/s与11 m/s;海上风电最新上网电价为0.85 元/(kW·h),从补贴层面看,2022年广东省对于海上风电的补贴价格为1 500 元/kW。假设备用容量系数α为0.2,其余部分同样需根据kCO2及EGrid(t)计算。最大无功补偿需求Qmax=500 MW前提下,假设生产无功补偿设备的单位碳排放强度kvar=100 kg/kvar,Evar=535.9 元/kvar[16］。

3.2 低碳综合效益分析

从成本角度分析,根据式(11)～式(13)得到并网型海上风电的低碳指标C0-1、C0-2、C0-3分别为-1 576 530 t,-14 175 t及-1 215 t,合计-1 591 920 t,折合到LCC每年为-63 676.8 t。根据式(16)计算海上风电场年发电量达到2 247 367 MW·h,折算为碳效益得到c1指标为1 211 106 t。结合图4所示各季节典型负荷特性及式(17),代入IEEE 33节点模型求解可得出并网型海上风电每年因降低网损而实现减排4 304.3 t。由式(18)计算得到每年因闲置备用容量造成的CO2排放262 448 t。增设无功补偿设备后,由于无功补偿设备生产产生的年均碳排量为2 000 t,并同时求得由于降低网损得到的间接碳效益为2 820.3 t。

图4 并网型海上风电低碳效益及经济效益流图

用于投资、建设、安装过程的海上风电成本根据式(20)计算为144亿,折算到LCC每年为-5.76亿元;每年用于运行维护的成本投入3.6亿;处置成本共计5.4亿,分摊到LCC每年2 160万元。结合式(21)得到年发电量并网收益为19.1亿元,且享有政府政策补贴13.5亿,折算为每年5 400万元。年并并网损改善共产生经济效益C2=626.6万元。备用容量造成的闲置经济成本C3按照式(23)计算结果为-3.821亿元。计及无功补偿设备后,无功补偿装备投入为2.68亿元,折合到LCC每年为1 071.8万元,同时改善并网网损间接经济收益为410.56万元,经济效益指标C4=-661.24万元。

结合上述分析,得到算例中的并网型海上风电综合低碳效益流图如图4所示。

4 敏感性因素分析

通过分析并网型海上风电对于单一指标的敏感程度,探究会引起并网海上风电低碳效益的快速变化的因素。采用扰动分析法,将5%设定为扰动幅度,针对能够明显影响海上风电低碳与经济效益的因素进行集中评估,结果如表1所示。

表1 并网型海上风电低碳综合效益敏感性因素分析

由表1可知:在算例的并网型海上风电系统中,对于系统影响最大的敏感性因素为海上风电发电量QW,次要敏感因素为上网电价EGrid;除此之外,海上风电装机容量NWTP0与投资建设EC、运维成本EO&M都是海上风电低碳综合效益的重要影响因素。考虑到EC、EO&M、EGrid通过直接对经济效益产生影响从而影响综合效益,与低碳效益之间的关系不深,因此认为,并网型海上风电的低碳综合效益受海上风力发电量与装机容量的影响最为显著。

5 结束语

海上风电已成为未来新能源替代传统能源的重要途径,因其年发电量大、风力较为稳定,将在能源结构转型的路径中发挥重要作用。本文从低碳综合效益角度出发,通过精细化建模方式详细罗列了LCC中的低碳效益与经济效益,充分考虑到无功补偿这一容易被忽视的关键因素,并提出了进一步提升海上风电场综合效益的方式方法,有助于当前能源形式下海上风电朝着更清洁、更环保和更经济的方向发展,也为海上风电全过程的经济与低碳效益评估提供了一种新思路。